CN108896582A - 一种基于三端口技术的同轴材料微波实时检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于微波应用技术领域，具体提供一种基于三端口技术的同轴材料微波实时检测装置，包括1个微波检测波导及3个结构相同的微波传输波导，微波检测波导为圆形波导、用以容纳待测同轴材料穿过并共同构成同轴传输线结构；1个微波传输波导通过模式变换器连接于所述微波检测波导的中间位置、作为检测装置输入端；另外2个微波传输波导分别通过模式变换器连接于所述微波检测波导的两端、均作为检测装置输出端；本发明采用两个输出端口、且输入端口到两个输出端口的距离相等，通过S参数的变化，能够实现对同轴材料的状态进行实时判别；能够有效提高测量准确度，降低误判率，实现同轴材料缺陷的无损检测、高准确率检测。

Description

一种基于三端口技术的同轴材料微波实时检测装置

技术领域

本发明属于微波应用技术领域，具体涉及一种微波三端口器件对同轴材料进行缺陷及差异检测系统，具体为一种基于三端口技术的同轴材料微波实时检测装置。

背景技术

在目前通信系统中，同轴传输线因其具有低损耗、可弯曲、频带宽等优点，得到了广泛的应用。目前，各种基于新技术的同轴线层出不穷，例如基于发泡聚乙烯处理的柔性同轴缆以及基于此的泄露天线，目前已经广泛应用与室内、地下、轨道交通通信中；但由于技术原因，在生产过程尤其是发泡过程中，发泡系统经常会出现不稳定问题，造成发泡同轴介质出现种种缺陷，特别地，如发泡密度不均匀，泡孔破裂导致出现空洞等问题，这些问题严重影响了发泡缆的性能；特别地，系统的不稳定通常具有一段时间间隔，即系统在正常发泡过程中突然出现不稳定，导致所生产发泡缆呈现前一段好而后一段坏的问题。因此，在进行后续加工处理前，及时检测发现这种问题，可以减小由此造成的损失。由于同轴发泡缆的缺陷，特别地，对同轴介质性能影响较大的发泡度、泡孔、内导体偏心等问题，大多产生于发泡缆的内部，常规检测手段在检测时往往具有一定局限性。

如申请号为CN201510205999.8的“一种基于机器视觉的线缆在线检测方法”的专利中公开了一种基于机器视觉的线缆表面缺陷检测方法，该方案可以对线缆表面进行缺陷检测，但对于诸如发泡度等内部缺陷，无较好判别手段。对于采用X光进行检测的方法，申请号为CN201620546600.2的“一种便携式线缆内部检测装置”中公开使用X射线对内部缺陷进行检测，但由于应用了X射线，其安全性以及使用条件存在一定限制，且成本高昂。对于采用微波进行缺陷检测，其具有可进行内部检测，安全性高等优点，如申请号为201611191101.7的“一种基于微波技术的线缆实时在线检测装置”，公开了一种基于微波传输线的线缆实时检测方案，该方案通过测量对比不同线缆在的S参数，来建立好缆标准并依此判别线缆的好坏；但经过实践以及工厂应用反馈，此方案存在诸如检测误判率较高、对于较小的变化难以进行判断等问题，特别地，由于测量中存在的不稳定性，对于同一根缆的前后差异无法较好的进行反映。

综上，上述现有技术所公开的方法对于发泡缆测量均能进行一定检测，但均存在一定程度的缺点。本发明旨在提供一种基于三端口测量装置的微波检测线缆方案，利用微波在不同发泡缆所构成的同轴传输线中的S参数的区别，通过对S参数的幅度以及相位的变化，能够对发泡缆内部缺陷进行检测，本发明所述方法，在同一时间，对发泡缆前后段同时进行检测，具有较高的判别准确度，能对较小的缺陷进行检测，准确反映出由于系统不稳定而产生的发泡缆生产缺陷，具有良好的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于微波技术的三端口同轴材料检测装置，能够对待测样本前后段进行实时测量与对比，提高测量准确度，降低误判率，实现同轴材料缺陷的无损检测、高准确率检测。

为实现上述目的，本发明采用的解决方案为：

一种基于三端口技术的同轴材料微波实时检测装置，其特征在于，所述检测装置包括1个微波检测波导及3个结构相同的微波传输波导，所述微波检测波导为圆形波导、用以容纳待测同轴材料穿过并共同构成同轴传输线结构；其中，1个微波传输波导通过模式变换器连接于所述微波检测波导的中间位置、作为检测装置输入端；另外2个微波传输波导分别通过模式变换器连接于所述微波检测波导的两端、均作为检测装置输出端；所述微波传输波导的两端还分别设置1个同轴滤波器、位于作为检测装置输出端的微波传输波导的外侧，用以防止微波泄漏。

一种基于三端口技术的同轴材料微波实时检测系统，包括上述基于三端口技术的同轴材料微波实时检测装置及矢量网络分析仪，所述矢量网络分析仪分别连接所述检测装置的输入端及2个输出端、实时测量S参数。

从工作原理上讲，如图3所示，待测同轴材料穿过检测装置，检测微波由检测装置输入端1馈入，由模式变换器与T型传输线原理，将能量耦合进入检测段，当待测发泡缆(同轴材料)为标准缆时，可将其视为一个T型功分器，能量在检测装置输入端与微波检测段连接处等分为2部分，分别向左右进入检测段，并经模式变换器，耦合到检测装置输出端2、3；通过矢量网络分析仪，测得输出端2、3的S参数的幅度、相位信息，此时S21与S31的幅度、相位应完全一致。在实际生产中，由于发泡系统问题，出现发泡不稳定的时刻，所生产的发泡缆为一端为好缆，一端为坏缆(产生缺陷的缆，具有同轴度、发泡度、泡孔、尺寸差异等一种或多种缺陷)，此种缆置于检测装置时，特别地，位于输入端1与检测段连接处时，由于左右两端的介质不同，阻抗条件发生变化，变为不等分，即S21与S31的幅度产生差异；同时，由于从输入端1到输出端2、3的距离相同，而介质存在不同，由微波传输中的光程差理论，S21与S31的相位同样会发生变化；进而依据S参数的变化，对同轴缆介质的状态进行判别。

综上，本发明的有益效果在于：

本发明提供基于三端口技术的同轴材料微波实时检测装置及其检测系统；该装置采用两个输出端口、且输入端口到两个输出端口的距离相等，通过S参数的变化，能够实现对同轴材料的状态进行实时判别；能够有效提高测量准确度，降低误判率，实现同轴材料缺陷的无损检测、高准确率检测。

附图说明

图1为本发明基于三端口技术的同轴材料微波实时检测装置的模型剖视图；

图2为本发明基于三端口技术的同轴材料微波实时检测装置的模型图；

图3为本发明基于三端口技术的同轴材料微波实时检测装置结构示意剖视图；

图4为同轴滤波器的结构示意图；

图5为输入端口与模式变换器的结构示意图；

图6为本发明基于三端口技术的同轴材料微波实时检测系统测试示意图；

图7是本发明基于三端口技术的同轴材料微波实时检测测试中S参数相位的关系图；

其中：1为输入端口；2、3为输出端口；4为待测缆；5为同轴滤波器，5-1为铝合金外壳，5-2为空气，5-3为空气间隙；6为标准减高波导；7为模式变换器；8为波导同轴转换激励头；9为N型转接头。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明进行详细说明，不能理解为对本发明的限制。

本实施例提供基于三端口技术的同轴材料微波实时检测装置及检测系统；其中，检测装置的模型如图1、图2所示，各项部件均采用铝合金加工，如图3所示，所述检测装置包括1个微波检测波导及3个结构相同的微波传输波导，所述微波检测波导为圆形波导、用以容纳待测同轴材料穿过并共同构成同轴传输线结构；其中，1个微波传输波导通过模式变换器连接于所述微波检测波导的中间位置、作为检测装置输入端；另外2个微波传输波导分别通过模式变换器连接于所述微波检测波导的两端、均作为检测装置输出端；所述微波传输波导的两端还分别设置1个同轴滤波器、位于作为检测装置输出端的微波传输波导的外侧，用以防止微波泄漏。

本实施例中，待测缆如图3所示，其由内导体与同轴材料介质组成，而微波检测波导构成了缆的外导体，共同构成同轴传输线结构，特别地，缆与检测装置导体之间留有空气间隙，用于适配不同尺寸的待测缆。同轴滤波器5利用布拉格反射器原理，构成同轴滤波结构，根据检测频段对应设计其阻带频率，以防止微波能量泄漏到空间。微波传输波导2、3为输出端口，通过波导同轴转换探针8与N型接头，即将微波从波导中TE10模式与同轴线中TEM模式的相互转换，以便连接矢量网络分析仪；同理，检测微波通过N型接头和波导同轴转换探针8馈入微波传输波导1、即输入端。对应于检测装置输入端的模式变换器，用以将波导中的微波耦合到含有待测发泡缆的同轴传输线中，进行微波检测；对应于检测装置输出端的模式变换器，相应的用以将含有待测发泡缆的同轴传输线中微波耦合到微波传输波导中。各个部件通过螺丝钉进行定位组装。

在进行测量时，待测缆从左向右匀速运动经过检测装置，特别地，视待测缆为无限长，系统的有效检测段为a-b与a-c。1、2、3端口分别连接矢量网络分析仪的1、2、3端口，微波信号由1端口馈入，经过波同转换后进入矩形波导，再经过模式变换器7耦合到含有待测缆的同轴线段，特别地，经过模式变换7与同轴传输线构成一个T行分支结构，当待测缆是好缆时，分支两端同轴介质、阻抗等条件相同，微波将等分为2路，分别向左右传播，并在传播到2、3端口的模式变换器时，从同轴线段耦合到矩形波导中，继而经过端口的波同转换结构，到达输出端口2、3，由此可以测得此情况下的S参数，此情况下，S21、S31的幅度与相位信息应相同(此处相同指S21、S31的幅度与相位的差值在预设阀值内)。

当待测缆是缺陷缆，即坏缆时，特别地，根据实际生产情况，其在发泡系统恰好发生故障时，所生产的缆开始由好缆变为坏缆，由于待测缆从左向右运动，则当好坏缆分界面运动到位置b，即2端口的模式变换器处时，由于检测段待测缆介质的不同，T型分支结构两端的阻抗不一致，将造成2、3端口能量分配不再相等，并且由于待测缆介质出现差异，而1端口到2、3端口距离相同，S21与S31之间会产生一定的相位差，这个差值与1端口到2、3端口的差异介质的长度有关；特别地，当缆的好坏分界面恰好位于位置a，即1端口模式变换器处时，左右两端差异达到最大值，此时S21同S31的差异也将达到最大；由此，给出此检测设备的判别依据1，即利用这个差异，可以判断出缆的左右两端介质存在差异，即缆的生产出现故障。而当分界面继续运动到c位置时，坏缆将完全填充检测装置，而将此时的S21或S31同完全是好缆情况下的S参数进行对比，由此给出判别依据2，即通过不同缆置于该系统下得到的S21或S31之间存在的差异进行判别。如图6给出了使用本发明装置进行判别依据1测试的示意图，其相位测试结果如图7所示，当好坏缆分界面逐渐运动，S21、S31的相位差有一个先曾后减趋势，当分界面处于0位置时，相位差达到最大。

特别地，在实际生产线的实时检测中，对于待测缆处于高速运动时，本发明仍具有检测的有效性，但由于待测缆处于高速运动，会有类似多普勒效应出现，即待测缆为均匀介质时，波从1端口传播到2、3端口时仍存在一定固有相位差；经过估算，当频率为1GHz，待测介质介电常数为2，ab、ac间距离为300mm时，待测介质运动速度约为150m/s的情况下，电磁波从a传到b与a传到c的相位差约为0.5度，因此正常的低速生产中对于系统的影响可以忽略，对于高速运动时，系统经过校准消除固有相差后仍具有检测的有效性。

综上，本发明通过一种结合模式变换器的T型传输线结构，实现对同轴缆的微波测量，通过测量出的S参数，对介质的状态进行判断，同传统方法对比，除具备一般微波检测安全性高、可进行内部检测的优点外，还具有误差因素少、判断依据多、判断精度高等优点。在同轴发泡缆乃至同轴材料的生产检测领域具有较大应用前景。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (2)

1.一种基于三端口技术的同轴材料微波实时检测装置，其特征在于，所述检测装置包括1个微波检测波导及3个结构相同的微波传输波导，所述微波检测波导为圆形波导、用以容纳待测同轴材料穿过并共同构成同轴传输线结构；其中，1个微波传输波导通过模式变换器连接于所述微波检测波导的中间位置、作为检测装置输入端；另外2个微波传输波导分别通过模式变换器连接于所述微波检测波导的两端、均作为检测装置输出端；所述微波传输波导的两端还分别设置1个同轴滤波器、位于作为检测装置输出端的微波传输波导的外侧，用以防止微波泄漏。

2.一种基于三端口技术的同轴材料微波实时检测系统，包括基于三端口技术的同轴材料微波实时检测装置及矢量网络分析仪，所述矢量网络分析仪分别连接所述检测装置的输入端及2个输出端、实时测量S参数。